李長俊，楊小彬

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林　541004；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林　541004)

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基于ZigBee和UHF的智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李長俊1，楊小彬2

(1.桂林電子科技大學(xué) 信息科技學(xué)院，廣西 桂林541004；2.桂林電子科技大學(xué)，廣西 桂林541004)

巡檢系統(tǒng)在自動(dòng)化企業(yè)及電力鐵路等部門有著廣泛的應(yīng)用，傳統(tǒng)的巡檢方式巡檢效率低、巡檢不到位，越來越不能滿足管理自動(dòng)化、信息化與規(guī)范化的要求;采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)及基于ISO 18000-6C協(xié)議的超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)技術(shù)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離無線傳輸巡檢系統(tǒng)，可解決傳統(tǒng)巡檢系統(tǒng)的巡檢人員管理效率低、巡檢不及時(shí)等問題;該系統(tǒng)采用移動(dòng)智能手持終端作為巡檢器，應(yīng)用ZigBee無線通信技術(shù)，可以實(shí)時(shí)記錄設(shè)備基本數(shù)據(jù)信息以及巡檢人員到位情況，上位機(jī)采用LabVIEW軟件平臺(tái)，可實(shí)時(shí)對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行管理及查詢;測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高，識(shí)別距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可以取代傳統(tǒng)巡檢方式，提高巡檢效率、實(shí)現(xiàn)信息化智能管理，為企業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行提供有效保障。

巡檢系統(tǒng)；zigbee；UHF RFID；ISO18000-6C協(xié)議；智能手持終端

0　引言

近年來，隨著企業(yè)自動(dòng)化水平的提高，及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患，提高設(shè)備巡檢質(zhì)量，實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握企業(yè)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)變得越來越重要，尤其在電力、鐵路等部門，巡檢作業(yè)往往需要在室外移動(dòng)的情況下采集、處理、存儲(chǔ)設(shè)備數(shù)據(jù)。常規(guī)的巡檢方式存在巡檢效率低、自動(dòng)化程度不夠高，在巡檢實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)等方面，均很難滿足需求，制約了設(shè)備狀態(tài)檢修的科學(xué)規(guī)范化管理。采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)及基于ISO 18000-6C協(xié)議的超高頻射頻識(shí)別(UHF RFID)技術(shù)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)距離無線傳輸巡檢系統(tǒng)，對(duì)巡檢設(shè)備數(shù)據(jù)采集、傳輸查詢和實(shí)時(shí)安全監(jiān)測(cè)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了巡檢的智能化、信息化管理[1-3]。

1　智能巡檢系統(tǒng)方案及原理

采用ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)及基于ISO 18000-6C協(xié)議的UHF RFID智能巡檢系統(tǒng)方案如圖1所示。該系統(tǒng)由設(shè)備電子標(biāo)簽、智能巡檢手持終端、上位機(jī)管理中心三大部分組成。

圖1　智能巡檢系統(tǒng)

電子標(biāo)簽采用支持ISO 18000-6C協(xié)議的無源電子標(biāo)簽，存有設(shè)備編號(hào)、規(guī)格型號(hào)、維修記錄、存放地點(diǎn)、價(jià)格等相關(guān)信息。其工作頻率為 860～960 MHz，讀寫距離為3～10 m。

智能巡檢手持終端主要完成電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息的采集以及對(duì)ZigBee無線通信模塊的控制。主要由處理器模塊、UHF RFID射頻模塊、ZigBee無線通信模塊、人機(jī)交互模塊等模塊組成，其核心部分為UHF RFID讀寫器。其工作原理是通過讀寫器識(shí)別設(shè)備標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行分析處理后通過ZigBee無線通信模塊傳輸給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，同時(shí)接收來自上位機(jī)的指令，完成相應(yīng)的讀寫任務(wù)。巡檢人員通過人機(jī)交互模塊獲取上位機(jī)下達(dá)的巡檢任務(wù)并將巡檢結(jié)果信息進(jìn)行錄入并上傳給上位機(jī)。

上位機(jī)是基于LabVIEW的智能化綜合管理平臺(tái)，主要由ZigBee模塊、計(jì)算機(jī)組成。其作用是對(duì)智能巡檢手持終端發(fā)送巡檢任務(wù)，然后收集所有智能巡檢手持終端記錄的巡檢結(jié)果，將巡檢結(jié)果信息存入上位機(jī)管理中心數(shù)據(jù)庫中，建立查詢體系，并根據(jù)查詢條件對(duì)巡檢數(shù)據(jù)信息進(jìn)行查詢實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的綜合管理。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能巡檢系統(tǒng)硬件部分主要由智能巡檢手持終端及上位機(jī)ZigBee協(xié)調(diào)器模塊構(gòu)成，如圖2所示。智能巡檢手持終端由UHF RFID讀寫器模塊、ZigBee無線通信模塊、人機(jī)交互模塊等模塊構(gòu)成。ZigBee無線通信模塊主要包括兩部分ZigBee終端節(jié)點(diǎn)及ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)組成。下面重點(diǎn)介紹UHF RFID讀寫器模塊及ZigBee無線傳輸模塊的設(shè)計(jì)方法。

圖2　智能巡檢系統(tǒng)硬件框圖

2.1UHF RFID讀寫器的硬件設(shè)計(jì)

UHF RFID讀寫器由UHF RFID射頻模塊和STM32處理器模塊構(gòu)成，如圖3所示。

圖3　UHF RFID讀寫器硬件框圖

讀寫器采用UHF RFID讀寫器專用芯片AS3992，該芯片集成了完整的模擬前端電路、鎖相環(huán)、功率放大器、壓控振蕩器、上下變頻模塊、混頻器、增益濾波器以及ISO18000-6C協(xié)議處理器，可實(shí)現(xiàn)ISO18000-6C協(xié)議支持的發(fā)送和接收電路。外部控制器可通過SPI實(shí)現(xiàn)對(duì)AS3992的通信與控制。

系統(tǒng)控制器采用STM32微處理器，負(fù)責(zé)UHF RFID讀寫器采集到的設(shè)備標(biāo)簽數(shù)據(jù)的處理，控制交互模塊對(duì)設(shè)備及人員信息進(jìn)行輸入、修改、查詢及顯示，將采集到的數(shù)據(jù)信息通過ZigBee無線通信模塊與上位機(jī)進(jìn)行通信?？刂破魍ㄟ^EN引腳控制AS3992的使能，經(jīng)過SPI向AS3992發(fā)送數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼、調(diào)制、放大后經(jīng)過定向耦合器及阻抗匹配，最后經(jīng)由天線將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。上位機(jī)管理中心的ZigBee協(xié)調(diào)器模塊接收到的射頻信號(hào)同樣要通過阻抗匹配后經(jīng)過定向耦合器、巴倫、射頻芯片AS3992的解調(diào)、解碼，向STM32處理器提供數(shù)據(jù)接收中斷，最后STM32通過SPI口從AS3992中讀取接收到的數(shù)據(jù)信息。

2.2ZigBee無線通信模塊的設(shè)計(jì)

ZigBee無線通信模塊主要是為了實(shí)現(xiàn)巡檢工作人員完成數(shù)據(jù)的無線收發(fā)，該模塊由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)模塊和ZigBee協(xié)調(diào)器模塊兩部分構(gòu)成。如圖4所示，它們均采用Chipcon 公司的CC2530芯片，該芯片內(nèi)部含有一個(gè)高性能的RF收發(fā)器和一個(gè)增強(qiáng)型的8051MCU、在線可編程的程序存儲(chǔ)器Flash、8-KB 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)RAM等模塊。該芯片支持8路12位ADC、2個(gè)USART接口和21個(gè)GPIO接口等。該芯片還具有短時(shí)間休眠喚醒轉(zhuǎn)換時(shí)間，可滿足超低功耗系統(tǒng)要求[4-6]。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)采用串口的方式與STM32進(jìn)行通信，對(duì)CC2530進(jìn)行配置和完成數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)，并匯集ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的所有消息，通過串口發(fā)送給上位機(jī)。

圖4　ZigBee無線通信模塊

3　系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

智能巡檢系統(tǒng)軟件主要由系統(tǒng)通信協(xié)議、ZigBee無線傳輸模塊及上位機(jī)軟件構(gòu)成。

3.1系統(tǒng)通信協(xié)議的設(shè)計(jì)

在整個(gè)智能巡檢系統(tǒng)中，由STM32處理器控制AS3992射頻模塊采集數(shù)據(jù)，通過串口發(fā)送給ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，然后通過ZigBee協(xié)議傳輸?shù)絑igBee協(xié)調(diào)器，系統(tǒng)通信協(xié)議基本構(gòu)架如圖5所示。

圖5　系統(tǒng)通信協(xié)議基本構(gòu)架

射頻模塊中射頻芯片AS3992與電子標(biāo)簽的通信是采用ISO18000-C協(xié)議。智能巡檢系統(tǒng)中協(xié)議規(guī)定，讀寫器向標(biāo)簽發(fā)送信息的發(fā)送方式為PIE格式的DSB-ADK、SSB-ASK，或者PR-ASK調(diào)制的射頻載波信號(hào)，電子標(biāo)簽通過相同的載波接收功率。用于對(duì)讀寫器的命令做出相應(yīng)的編碼格式為MF0或者M(jìn)iller的副載波[7-9]。STM32首先通過SPI控制AS3992射頻模塊讀取天線接收范圍內(nèi)的標(biāo)簽信息，將信息處理為符合ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)包，發(fā)送至ZigBee協(xié)調(diào)器，ZigBee無線通信協(xié)議為IEEE802.15.4。協(xié)調(diào)器通過串口與上位機(jī)連接進(jìn)行通信，同時(shí)，上位機(jī)發(fā)送指令信息來對(duì)電子標(biāo)簽進(jìn)行修改。

3.2ZigBee無線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)

ZigBee無線傳輸模塊軟件設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用的是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的Z-Stack協(xié)議棧進(jìn)行無線通信，在其應(yīng)用層進(jìn)行程序的開發(fā)，完成ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建和巡檢設(shè)備及人員信息的傳輸。該模塊由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)子程序和ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)子程序組成。

ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序流程如圖6所示，首先初始化ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，申請(qǐng)加入ZigBee組網(wǎng)，進(jìn)入休眠模式。若有中斷產(chǎn)生，STM32控制RFID射頻模塊讀取范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)據(jù)信息。

圖6　ZigBee終端節(jié)點(diǎn)程序流程

ZigBee協(xié)調(diào)節(jié)點(diǎn)流程如圖7所示。系統(tǒng)上電并初始化協(xié)議棧，開始進(jìn)行ZigBee組網(wǎng)。組網(wǎng)成功后，如有終端節(jié)點(diǎn)申請(qǐng)加入網(wǎng)絡(luò)，系統(tǒng)將產(chǎn)生中斷請(qǐng)求，并為該終端節(jié)點(diǎn)分配網(wǎng)絡(luò)地址。上位機(jī)通過ZigBee協(xié)調(diào)器向智能手持終端發(fā)送采集命令，手持終端識(shí)別設(shè)備標(biāo)簽信息后，將采集到的所有數(shù)據(jù)包通過ZigBee協(xié)調(diào)器串口發(fā)送至上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

圖7　ZigBee協(xié)調(diào)器程序流程

3.2上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上位機(jī)采用Labview組成智能化信息管理平臺(tái)。通過LabVIEW所具有的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能、豐富的函數(shù)庫及其完善的圖形界面，可實(shí)現(xiàn)巡檢人員巡檢記錄、設(shè)備信息管理及查詢等功能。

上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示，主要包括：上位機(jī)界面顯示模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、通信模塊三大部分。通信模塊負(fù)責(zé)將ZigBee協(xié)調(diào)器采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊將接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理后顯示在上位機(jī)界面上。

圖8　上位機(jī)軟件結(jié)構(gòu)圖

4　系統(tǒng)測(cè)試與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性，分別在室內(nèi)和室外對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試。室內(nèi)測(cè)試主要是檢測(cè)智能巡檢手持終端穿透墻壁的傳輸距離，室外檢測(cè)為空曠地帶，用來檢測(cè)智能巡檢手持終端讀無障礙物傳輸?shù)木嚯x。外接8 dBi圓極化天線，設(shè)置讀寫器工作頻率915 MHz，輸出功率30 dBm，在天線方向圖覆蓋面積測(cè)試讀取標(biāo)簽測(cè)試結(jié)果如表1所示。從表中數(shù)據(jù)可以看出在室內(nèi)進(jìn)行穿墻測(cè)試，當(dāng)距離增加到6 m，丟包率達(dá)到19%，在室外進(jìn)行無障礙狀態(tài)下測(cè)試時(shí)，當(dāng)距離增加到8 m，丟包率達(dá)到16%，但是仍能滿足系統(tǒng)的要求。由于超高頻RFID穿透性好，而且抗干擾能力強(qiáng)，結(jié)合ISO18000-6C協(xié)議的高速度數(shù)據(jù)交換特性和高的信息安全保障，使得整個(gè)系統(tǒng)具有較高的準(zhǔn)確度，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，相對(duì)于傳統(tǒng)的讀寫系統(tǒng)可以達(dá)到更遠(yuǎn)的識(shí)別距離。

表1　讀寫系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

5　結(jié)論

采用zigbee技術(shù)和基于ISO 18000-6C協(xié)議的UHF RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)了智能巡檢系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)上位機(jī)采用LabVIEW軟件平臺(tái)，能夠?qū)崟r(shí)對(duì)設(shè)備信息進(jìn)行管理及查詢。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該系統(tǒng)具有實(shí)時(shí)性強(qiáng)、穩(wěn)定性好，準(zhǔn)確度高，識(shí)別距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)，可以取代傳統(tǒng)巡檢方式，提高巡檢效率、實(shí)現(xiàn)信息化智能化管理，為企業(yè)設(shè)備安全運(yùn)行提供有效保障，有廣泛的應(yīng)用前景。

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Design of Intelligence Inspection System based on ZigBee and UHF

Li Changjun1，Yang Xiaobin2

(1.Institute of Information Technology,Guilin University of Electronic Technology，Guilin541004，China；2.Guilin University of Electronic Technology,Guilin541004，China)

Inspection system has been widely applied in automation,power,railway and other departments,traditional manual inspection can not satisfy the requirements of management automation,information and standardization any more. In order to solve this problem,a wireless remote inspection system using ZigBee wireless network combined with UHF radio frequency identification(UHF RFID)technology based on the ISO 18000-6C protocol was designed,has solved the traditional inspection methods of checking the problem of low efficiency of personnel management and inspection is not timely. The system uses intelligent handheld terminal as a mobile inspector,applying ZigBee wireless communication technology,could recording the data of devices real time and inspect personnel whether in place,the PC using LabVIEW software platform which can manage and query the device information real time. Experiment results show that the intelligent inspection system has advantage in real-time,stability,accuracy,distance ,which can replace the traditional inspection methods,improving inspection efficiency and realize intelligent information management,to provide effective protection for the equipment of enterprise operation safely.

inspection system;；ZigBee；UHF RFID；ISO18000-6C protocol；mobile intelligent handset

1671-4598(2016)04-0278-03DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.04.080

TB114.3

A

2015-10-21；

2015-11-13。

李長俊(1959-)，男，吉林東豐人，碩士生導(dǎo)師，主要從事測(cè)控技術(shù)與儀器方面的教學(xué)和科研工作方向的研究。

楊小彬(1990-)，女，陜西渭南人，碩士研究生，主要從事檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化裝置方向的研究。